換流變壓器分接開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及評(píng)估系統(tǒng)的研究

韓慧麟

(國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011)

直流換流站中換流變壓器處于交、直流系統(tǒng)相互連接的關(guān)鍵位置，主要承擔(dān)交、直流系統(tǒng)電氣隔離和抑制直流故障電流等重要作用，其可靠運(yùn)行對(duì)直流輸電系統(tǒng)有著重要意義。換流變壓器通過(guò)有載分接開關(guān)調(diào)整，長(zhǎng)期實(shí)現(xiàn)閥側(cè)直流電壓恒定不變、網(wǎng)側(cè)交流電壓波動(dòng)補(bǔ)償、直流系統(tǒng)降壓運(yùn)行以及直流功率調(diào)整等操作功能，其分接頭動(dòng)作極為頻繁[1]。

近年來(lái)，有載分接開關(guān)由于真空管破損、觸頭燒損、過(guò)渡電阻異常等導(dǎo)致分接開關(guān)故障時(shí)有發(fā)生，而在壓力釋放閥、油流繼電器報(bào)警后，分接開關(guān)依舊調(diào)檔操作。此類電氣故障嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流變壓器著火燒毀甚至爆炸，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還產(chǎn)生十分惡劣的社會(huì)影響；因此，有必要在分接開關(guān)存在潛伏性故障期間，禁止分接開關(guān)進(jìn)一步調(diào)檔操作，從而避免分接開關(guān)故障擴(kuò)大，最終避免設(shè)備爆炸或起火[2]。

1 存在問(wèn)題

1.1 分接開關(guān)級(jí)電壓設(shè)計(jì)裕度小

換流變壓器有載分接開關(guān)安裝在換流變網(wǎng)側(cè)繞組，調(diào)壓級(jí)數(shù)達(dá)30多級(jí)，通過(guò)正反調(diào)壓模式，實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)大范圍的調(diào)壓，在中間分接位置時(shí)受調(diào)壓繞組懸空端振蕩電壓的影響，有載分接開關(guān)對(duì)地處于較高絕緣水平。換流變壓器的網(wǎng)側(cè)繞組與750 kV交流系統(tǒng)相連時(shí)，有載分接開關(guān)的級(jí)電壓接近極限[3]。

1.2 分接開關(guān)動(dòng)作頻繁

換流變壓器在運(yùn)行中為了維持直流工程定電壓策略，分接頭動(dòng)作頻繁，最多可達(dá)1萬(wàn)次/年，直流功率調(diào)整頻繁，要求有載分接開關(guān)能在較多操作次數(shù)后依舊能滿足少維護(hù)或高能量利用率的要求。換流變壓器有載分接開關(guān)切換時(shí)所開斷的電流不是交流正弦波波形，而是有較陡波形的方波，主觸頭在開斷方波電流后在觸頭間的恢復(fù)電壓也是有較陡波前的方波波形，這就要求絕緣介質(zhì)能迅速恢復(fù)絕緣強(qiáng)度，以達(dá)到快速熄弧防止電弧重燃[5]。

換流變壓器的運(yùn)行工況非常復(fù)雜，其有載分接開關(guān)與普通電力變壓器有載分接開關(guān)有較大區(qū)別，運(yùn)行工況更加嚴(yán)苛，因此，開展換流變壓器有載分接開關(guān)狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)及評(píng)估，對(duì)于減少有載分接開關(guān)故障、保證換流變壓器安全運(yùn)行具有重要意義[6]。

2 分接開關(guān)狀態(tài)量采集評(píng)估方案與分析

2.1 安裝切換開關(guān)乙炔和油耐壓在線監(jiān)測(cè)裝置

換流變壓器真空有載分接開關(guān)正常運(yùn)行時(shí)，切換過(guò)程中電弧熄滅一般在真空管中進(jìn)行，分接開關(guān)絕緣油不直接承擔(dān)滅弧作用，絕緣油不會(huì)劣化和產(chǎn)生氣體，當(dāng)真空有載分接開關(guān)發(fā)生電氣故障時(shí)，絕緣油中會(huì)產(chǎn)生特征氣體。油浸式分接開關(guān)故障以放電故障為主，特征氣體主要為乙炔，因此可以將乙炔作為變壓器真空有載分接開關(guān)電氣故障的特征氣體。根據(jù)換流變壓器精益化評(píng)價(jià)細(xì)則中的相關(guān)內(nèi)容確定：當(dāng)分接開關(guān)油色譜和耐壓采集裝置采集到換流變壓器絕緣油耐壓值小于40 kV時(shí)，發(fā)出分接開關(guān)絕緣油劣化嚴(yán)重報(bào)警信號(hào)。通過(guò)換流變壓器分接開關(guān)油色譜運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和國(guó)家電網(wǎng)公司換流變壓器精益化評(píng)價(jià)細(xì)則[7]確定：分接開關(guān)油色譜和耐壓采集裝置采集到換流變壓器三相分接開關(guān)油室乙炔最大值超過(guò)平均值的10%時(shí)發(fā)出分接開關(guān)乙炔報(bào)警信號(hào)，并輸出信號(hào)送至直流控制保護(hù)系統(tǒng)用于邏輯判斷。

如圖1所示，油色譜乙炔檢測(cè)傳感器探頭安裝在分接開關(guān)濾油機(jī)管路中，檢測(cè)傳感器采用膜脫氣和紅外吸收光譜技術(shù)。圖2中油耐壓測(cè)試傳感器安裝在濾油機(jī)管路排油球閥處，由油樣采集裝置和油樣測(cè)試裝置組成，能自動(dòng)對(duì)分接開關(guān)、切換開關(guān)獨(dú)立油室進(jìn)行工頻擊穿電壓試驗(yàn)，廢油箱用于收集耐壓測(cè)試結(jié)束后的殘油。

圖1 油色譜采集傳感器和耐壓傳感器安裝位置

圖2 油耐壓傳感器的原理

當(dāng)切換開關(guān)乙炔和油耐壓在線監(jiān)測(cè)裝置采集到換流變壓器三相分接開關(guān)油室乙炔值最大值超過(guò)平均值的10%和耐壓測(cè)試裝置分析換流變壓器絕緣油耐壓值小于40 kV時(shí)，判斷分接開關(guān)存在絕緣油劣化的情況，可以作為換流變壓器分接開關(guān)狀態(tài)評(píng)估的策略之一。

2.2 采集切換開關(guān)獨(dú)立油室的油溫

換流變壓器分接開關(guān)油室內(nèi)配置鉑電阻Pt100溫度傳感器，鉑電阻的電阻值會(huì)隨著溫度的上升而近似勻稱增長(zhǎng)，利用電阻/溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)推算油室溫度，溫度傳感器將測(cè)量的溫度送至中間繼電器，最后將溫度值傳送至采集分析單元，當(dāng)有載分接開關(guān)、切換開關(guān)獨(dú)立油室的油溫<-25 ℃或者>+125 ℃時(shí)，發(fā)出切換開關(guān)油溫異常信號(hào)，并輸出至控制保護(hù)系統(tǒng)[8]。

鉑電阻Pt100溫度傳感器位于分接開關(guān)、切換開關(guān)獨(dú)立油室中，如圖3所示。輸出電阻值至電阻電流轉(zhuǎn)換器R/A，最終由采集分析單元將異常報(bào)警信號(hào)輸出至控制保護(hù)系統(tǒng)。

圖3 切換開關(guān)油室溫度采集判斷邏輯

2.3 增加分接開關(guān)流量傳感器

換流變壓器分接開關(guān)配置油流繼電器，輸出硬接點(diǎn)信號(hào)，用于實(shí)現(xiàn)換流變壓器跳閘，但分接開關(guān)調(diào)檔過(guò)程中分接開關(guān)、切換開關(guān)獨(dú)立油室至儲(chǔ)油柜中的管路油流速度值無(wú)法輸出；因此，需要通過(guò)在分接開關(guān)油箱和分接開關(guān)儲(chǔ)油柜管路中安裝流量傳感器測(cè)量油流速度，分接開關(guān)油流跳閘值為1.5 m/s，流量傳感器采集油流速度為V，當(dāng)1.2 m/s

圖4 流量傳感器安裝位置

用于測(cè)試分接開關(guān)管路中油流速度的傳感器，安裝在分接開關(guān)油箱和分接開關(guān)儲(chǔ)油柜管路中，如圖4所示。分接開關(guān)流量傳感器采集分接開關(guān)切換過(guò)程中儲(chǔ)油柜管路的油流速度，當(dāng)油流速度大于1.2 m/s，輸出分接開關(guān)油流過(guò)快告警，可以實(shí)現(xiàn)分接開關(guān)潛伏性故障的提前預(yù)警。

2.4 采集非電量保護(hù)裝置的報(bào)警信號(hào)

換流變壓器分接開關(guān)不能配置瓦斯繼電器，主要是因?yàn)榉纸娱_關(guān)頻繁切換拉弧產(chǎn)氣，導(dǎo)致瓦斯繼電器頻繁拒動(dòng)，但是真空的分接開關(guān)可以安裝瓦斯繼電器用以監(jiān)視真空泡是否破損，通過(guò)采集真空開關(guān)的瓦斯動(dòng)作的硬接點(diǎn)信號(hào)判斷分接開關(guān)是否異常。壓力釋放閥報(bào)警信號(hào)，壓力繼電器的報(bào)警信號(hào)同理，先經(jīng)過(guò)非電量保護(hù)裝置判斷后，再送至直流控制保護(hù)系統(tǒng)[10]，報(bào)警信號(hào)判斷邏輯如圖5所示。

圖5 采集非電量報(bào)警信號(hào)判斷邏輯

采集分接開關(guān)非電量(瓦斯繼電器、壓力釋放閥)報(bào)警信號(hào)，當(dāng)分接開關(guān)需要連續(xù)調(diào)檔，需要滿足每次分接變換結(jié)束后，分接開關(guān)的所有非電量保護(hù)裝置未發(fā)信，才能進(jìn)行第2次分接變換，有效避免了因分接開關(guān)的連續(xù)切換導(dǎo)致故障的進(jìn)一步擴(kuò)大發(fā)展。

2.5 直流控制保護(hù)系統(tǒng)綜合判斷出口

當(dāng)油色譜乙炔耐壓值報(bào)警后可以初步判斷分接開關(guān)存在內(nèi)部放電或真空泡破損的情況。當(dāng)切換開關(guān)油溫小于-25 ℃時(shí)，可以判斷絕緣油溫度過(guò)低，存在絕緣油凝滯情況，影響分接開關(guān)內(nèi)部絕緣；當(dāng)切換開關(guān)油溫大于125 ℃時(shí)，可以初步判斷分接開關(guān)內(nèi)部存在放電或者絕緣材料過(guò)熱現(xiàn)象；當(dāng)油流繼電器流速異?？梢耘袛嘤土鞴苈分袎毫Υ?，存在油流涌動(dòng)。上述3個(gè)條件分別同非電量保護(hù)報(bào)警信號(hào)相與后，輸出閉鎖調(diào)壓開關(guān)觸發(fā)脈沖信號(hào)[11]，判斷原理如圖6所示。

圖6 直流控制保護(hù)系統(tǒng)綜合分析判斷原理

3 結(jié) 語(yǔ)

本研究方案通過(guò)采集油流速度、油色譜乙炔和耐壓閥值報(bào)警信號(hào)、切換開關(guān)獨(dú)立油室的溫度、非電量保護(hù)報(bào)警信號(hào)4個(gè)維度的數(shù)據(jù)，達(dá)到滿足狀態(tài)監(jiān)測(cè)全面性、數(shù)據(jù)有效性、運(yùn)行可靠性的要求，從而實(shí)現(xiàn)換流變壓器分接開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)及評(píng)估[12]。

(1)通過(guò)對(duì)分接開關(guān)采集狀態(tài)量、傳感器安裝位置、判斷方法進(jìn)行分析研究，為實(shí)現(xiàn)分接開關(guān)故障預(yù)警及在線監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

(2)通過(guò)采集油流速度、油色譜乙炔和耐壓閥值報(bào)警、切換開關(guān)獨(dú)立油室的溫度、非電量保護(hù)報(bào)警信號(hào)4個(gè)狀態(tài)量進(jìn)行科學(xué)的閥值設(shè)定和邏輯算法的驗(yàn)證，可以實(shí)現(xiàn)分接開關(guān)的在線監(jiān)測(cè)和前期故障預(yù)警，以確保分接開關(guān)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(3)換流變壓器分接開關(guān)在線監(jiān)測(cè)和評(píng)估系統(tǒng)，可以迅速并有效避免分接開關(guān)在潛伏故障期間進(jìn)一步擴(kuò)大，對(duì)于完善電網(wǎng)設(shè)備預(yù)警技術(shù)，補(bǔ)充預(yù)防性試驗(yàn)周期長(zhǎng)的不足等方面有重要意義[13]。